Содержание к диссертации
Введение. 5
ГЛАВА 1. КОРРЕКТОРЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ДЛЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРАМИ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ. 11
§1.1. Требуемые характеристики корректоров волнового фронта. 11
§1.2. Типы корректоров волнового фронта (обзор литературы). 15
1:2.1. Зеркала с локальной функцией отклика. 16
1.2.2. Корректоры с модальной функцией отклика. 25
§1.3. Гибкие зеркала на основе биморфного пьезоэлемента. 30
1.3.1. Аналитическая теория деформации полупассйвного биморфного зеркала. 32
1.3.2. Теоретические функции отклика электродов полупассивного биморфного зеркала. 34
1.3.3. Конструкция корректора и методика его изготовления. 37
1.3.4. Теоретическая оценка эффективности коррекции простейших аберраций оптических систем. 42
1.3.5. Экспериментальные исследования биморфного зеркала. 47
1.3.5.1. Влияние электрического гистерезиса пьезокерамики на работу корректора. 50
1.3.5.2. Функции отклика управляющих электродов. 54
1.3.5.3. Динамические функции отклика биморфных зеркал. 62
1.3.6. Охлаждаемое биморфное зеркало для задач формирования высоко энергетических пучков. 74
1.3.7. Сферическое биморфное зеркало. 79
1.3.8. "Грибовидное" биморфное зеркало. 83
§1.4. Гибкое зеркало для коррекции значительных по амплитуде простейших аберраций. 84
1.4.1. Конструкция и принцип действия. 86
1.4.2. Математическая модель корректора. 87
1.4.3. Экспериментальное исследование гибкого зеркала. 92
§1.5. Корректор волнового фронта на основе электрически управляемого жидко кристаллического модулятора волнового фронта. 97
Выводы к Главе 1 111
ГЛАВА 2. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИБКИХ ЗЕРКАЛ И ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЛАЗЕРНЫХ СРЕД. 112
§ 2.1. Методы обработки интерференционных изображений. Введение. 112
§2.2. Стабилизированный интерферометрический комплекс. 122
2.2.1. Схема интерферометра. 122
2.2.2. Модель интерференционного изображения. Шумы интерферограммы. 123
2.2.3. Система стабилизации изображения и ее модификации. 126
2.2.4. Автоматизированная юстировка интерферометра 132
§2.3. Обработка интерференционных изображений модифицированным методом опорных линий. 136
2.3.1. Алгоритм поиска экстремумов интенсивности. 136
2.3.2. Фильтрация шумов изображения. 139
2.3.3. Алгоритм автоматического восстановления фазы 144
§2.4. Обработка интерференционных изображений с помощью градиентного метода. 149 §2.5. Интерферометрические исследования аберраций активной среды * многопроходового усилителя с зигзагообразным ходом луча 155
§2.6. Автоматизированный интерферометр для диагностики тонких пластин. 160
Выводы к Главе 2. 165
ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО АИГ:Ш3+ ЛАЗЕРА МЕТОДАМИ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ. 166
§3.1. Активная стабилизация мощности излучения непрерывного твердотельного лазера с помощью пьезокерамического корректора. 166
3.1.1. Введение. 166
3.1.2. Система стабилизации мощности АИГ-лазера. 170
3.1.3 Основные причины возникновения ложных сигналов ошибки. 175
3.1.4. Основные результаты работы системы стабилизации. 193
§3.2. Стабилизация мощности излучения непрерывно накачиваемого AHr:Nd лазера в режиме внутрирезонаторной генерации второй гармоники 197
§3.3. Стабилизация положения энергетического центра пучка АИГ лазера на поверхности объекта методами адаптивной оптики. 209
§3.4. Формирование излучения твердотельного технологического АИГ:Ыс1 лазера методами адаптивной оптики. 215
3.4.1. Введение. 215
3.4.2. Исследование и коррекция тепловой линзы твердотельного лазера с помощью гибкого биморфного зеркала. 218
3.4.3. Резонатор твердотельного лазера с широкоапертурным зеркалом. 224
3.4.4. Стабилизация мощности излучения лазера внутрирезонаторным гибким зеркалом. 234
3.4.5. Уменьшение расходимости и формирование модовых структур. 235
Выводы к Главе 3 245
ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСИМЕРНОГО, ФЕМТОСЕКУНДНОГО Ti:Sa И С02 ЛАЗЕРОВ ГИБКИМ БИМОРФНЫМ ЗЕРКАЛОМ. 246
§4.1 .Формирование пространственных характеристик излучения эксимерного лазера. 246
§4.2. Формирование и коррекция излучения фемтосекундных импульсно-периодических лазеров. 250
4.2.1. Фемтосекундные титан-сапфировые лазеры: их свойства и применение. 250
4.2.2. Коррекция излучения титан-сапфирового лазера АТЛАС. 253
4.2.2.1. Лазерный комплекс АТЛАС на основе титан-сапфирового лазера: параметры, особенности и недостатки. 253
4.2.2.2. Исследование аберраций и динамики флуктуации аберраций волнового фронта излучения. 258
4.2.2.3. Формирование распределения интенсивности с помощью биморфного зеркала. 261
4.2.2.4. Коррекция волнового фронта излучения. 264
4.2.3. Адаптивная оптическая система для оптимизации фокусировки излучения на основе эволюционного генетического алгоритма. 266
§4.3. Управление характеристиками излучения С02 лазеров гибким биморфным зеркалом. 274
4.3.1. Получение импульсно-периодического режима генерации. 275
4.3.2. Формирование супергауссовых ТЕМоо М<ЭД в технологическом С02-лазере при помощи биморфного зеркала. 281
4.3.2.1 Формирование супергауссова пучка 4-го порядка (п=4). 285
4.3.2.2. Оптимизация параметров резонатора. 290
4.3.2.3. Экспериментальное формирование заданного супергауссового распределения интенсивности. 292
4.3.2.3.1. Непрерывный С02 лазер с аксиальной прокачкой. 292
4.3.2.3.2. Описание экспериментальной установки. 296
4.3.2.3.3. Результаты численного анализа с учетом усиления активной среды для конкретных параметров лазерного резонатора. 299
4.3.2.3.4. Результаты эксперимента. 301 Выводы к Главе 4 305
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ КОРРЕКТОРОВ ВОЛНОВОГО ФРОНТА В АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ КОМПЕНСАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ АБЕРРАЦИЙ. 306
§5.1. Оценка эффективности компенсации атмосферных искажений фазы с помощью полупассивного биморфного корректора. 306
§5.2. Коррекция аберрации волнового фронта в реальном времени. 313
§5.3. Коррекция турбулентности в реальном времени методом апертурного зондирования. 318
§5.4. Моделирование фазовых экранов с заданной пространственной и временной статистикой 127-элементным электрически управляемым ЖК транспарантом. 325
5.4.1. Постановка задачи. 326
5.4.2. Теоретические предпосылки. 326
5.4.3. Экспериментальные результаты моделирования фазовых экранов с Колмогоровским спектром флуктуации фазы. 328
§5.5.Панкратическая система с корректором на основе биморфного пьезоэлемента. 332
Выводы к Главе 5. 340
Заключение 342
ЛИТЕРАТУРА 344
Введение к работе
В связи с расширяющимся применением лазеров и лазерного излучения в современных областях физики, в технологических процессах, в диагностических системах и в медицине одной из самых актуальных задач становится .задача управления и формирования лазерного излучения, повышения эффективности работы самих лазерных систем. Одним из самых простых и традиционных путей управления распределением интенсивности лазера является воздействие на амплитуду А(г) выходного пучка. Для этого используются внутри и внерезонаторные диафрагмы, маски и т.д. Такие методы приводят к значительному снижению КПД лазера.
Другой путь управления распределением интенсивности излучения предполагает воздействие на фазу световой волны - ф(г). Для этого обычно применяются сложные оптико-механические системы или киноформные фазовые пластинки, зеркала с заданной локальной кривизной и т.д. Такие оптические элементы могут точно воспроизводить требуемые фазовые неоднородности. Однако, в случае изменения неоднородностей, их эффективность значительно снижается и может даже приводить к обратному эффекту. Для коррекции аберраций лазерных пучков применяются методы обращения волнового фронта, основанные на нелинейных эффектах. Упомянутые методы хорошо работают в основном только в импульсных системах, где возможно получение больших плотностей мощности на нелинейном фазовом корректоре. Но системы обращения волнового фронта не позволяют управлять фазой и распределением интенсивности. Для управления фазой волнового фронта в динамике существует метод, специально разработанный для этой цели - метод адаптивной оптики.
"Адаптивная оптика" - раздел физики, занимающийся регистрацией и исследованием входного светового излучения с целью дальнейшего изменения свойств волнового фронта для поддержания и/или формирования заданных характеристик светового пучка, либо для улучшения качества изображения.
Анализ основных компонент адаптивной системы (корректора, датчика волнового фронта и электронной системы управления) показывает, что потенциально в адаптивных системах могут использоваться новые технологии и элементная база, применяться достаточно простые методы и алгоритмы управления. Именно это позволяет применять методы и устройства адаптивной оптики для внутри и внерезонаторной коррекции излучения лазеров (в том числе мощных).
Развитию данного направления посвящена целая серия научных конференций и семинаров (Workshop on Adaptive Optics for Industry and Medicine, Shatura 97, Durham 99, Albuquerque 2001 [1,2,3], Conf. on Nonastronomical Adaptive Optics, Munchen 97, Conf. on Adaptive Optics for Lasers and Medicine, Victoria 98).
Роль аберраций в неустойчивых резонаторах была всесторонне проанализирована в работах Ю.А.Ананьева [4], в которых была продемонстрирована зависимость волнового фронта выходного излучения лазера от оптических неоднородностей активной среды в приближении геометрической оптики. Исследованию взаимодействия лазерного излучения со средой распространения, искажений вносимых в волновой фонт лазерных пучков посвящена серия работ В.П.Кандидова, В.П.Лукина, С.С.Чеснокова [5,6]. Первые эксперименты по управлению параметрами сверхмощных мегаваттных лазеров при помощи активных зеркал были проведены в конце 70-х начале 80-х годов [7-11], а описание численного моделирования таких систем приведено в работах [12-14]. В подавляющем большинстве экспериментов использовались электроразрядные С02 лазеры с телескопическими резонаторами. Одновременно изучалась и возможность компенсации статических аберраций, искусственно введенных в резонатор лазера [9]. В середине 80-х годов работы были прерваны и практически отсутствовали публикации по данной теме. Необходимо отметить, что эти работы не решали задач управления излучением в лазерах средней мощности с устойчивыми и неустойчивыми резонаторами, т.к. методы управления излучением сверхмощных лазеров принципиально отличаются от подхода применимого для лазеров средней мощности. Развитие лазеров средней мощности шло по пути усовершенствования конструкции резонаторов, применения новых активных сред, методов накачки. Последующее широкое внедрение таких типов лазеров и лазерных комплексов в физические эксперименты, технологические процессы предъявляло всё новые требования к качеству лазерного излучения, к возможности эффективного управления световым пучком. Именно это и сделало проблему управления и формирования излучения лазеров методами адаптивной оптики актуальной.
В 90-х годах в данном направлении были выполнены работы по вне и внутри резонаторнои коррекции излучения импульсных АИГ лазеров в группе В.И.Шмальгаузена [15]. Проведённые исследования показали принципиальную возможность применения гибких зеркал для улучшения расходимости выходного излучения твердотельного лазера. Однако возникла потребность в разработке систематического подхода и физических основ управления и формирования лазерного излучения с применением методов адаптивной оптики, в исследовании и коррекции аберраций активных лазерных сред, в создании новых типов корректоров для применения в лазерах средней мощности. Целью настоящей диссертационной работы является разработка методологии управления параметрами и модовой структурой излучения лазеров средней мощности с применением элементов адаптивной оптики. В диссертации решались следующие задачи.
1. Создание и исследование адаптивных систем коррекции и формирования излучения различных типов лазеров. Применение адаптивных зеркал для этой цели позволяет формировать различные распределения интенсивности на выходе из лазерного резонатора, значительно повысить эффективность применения лазеров в различных физических экспериментах и в технологии.
2. Разработка методов диагностики оптических неоднородностей сред внутри и вне лазерного резонатора, исследования аберраций лазерных активных сред, а также деформаций гибких управляемых корректоров волнового фронта. Особенность таких методов состоит в том, что они позволяют изучать изменяющиеся во времени большие по амплитуде аберрации оптических объектов на фоне значительных акустических и механических шумов.
3. Создание теоретической модели и методики расчёта и исследования основных характеристик корректоров волнового фронта, ориентированных на решение задач управления излучением внутри и вне лазерного резонатора.
Научная новизна работы заключается в
1. разработке оригинальной методологии управления лазерным излучением адаптивными зеркалами, включающей разработку принципов, структуры и элементов управления излучением лазеров средней мощности;
2. разработке оригинальной методики диагностики оптических фазовых неоднородностей внутри и вне лазерного резонатора (включая неоднородности лазерных сред), основанной на применении управляемого по частоте полупроводникового лазера в качестве источника излучения в неравноплечном интерферометре и разработке новых методов обработки интерферограмм, и создании на основе этой методики управляемого лазерного интерферометрического комплекса;
3. развитии теории деформации полупассивных биморфных пластин и разработке на базе этой теории конструкции гибких зеркал для коррекции крупномасштабных фазовых неоднородностей как внутри так и вне лазерного резонатора;
4. разработке методики получения лазерных мод с заданным распределением интенсивности в резонаторах с гибкими управляемыми зеркалами.
Экспериментально продемонстрированы возможности разработанной методологии для широкого спектра лазерных систем: фемтосекундных лазеров, С02 лазеров, непрерывных твердотельных АИГ лазеров, эксимерных лазеров. Данные методы позволили уменьшить более чем в 2,5 раза расходимость многомодового АИГ-лазера, повысить плотность 18 2 19 2
мощности фемтосекундного 8 ТВт лазера с 10 Вт/см до значений 5x10 Вт/см ,
получить лазерные моды с супергауссовым распределением интенсивности в С02 лазере с устойчивым резонатором, осуществить режим модуляции добротности в С02-лазере, формировать разнообразные модовые структуры в АИГ-лазере с устойчивым резонатором.
Практическая ценность работы.
1. Полученные в диссертации результаты по внутрирезонаторной коррекции излучения позволяют создавать лазерные комплексы средней мощности с принципиально новыми пространственными характеристиками выходного излучения.
2. Разработанные корректоры позволяют создавать дешевые и, одновременно, эффективные адаптивные системы для использования в технологических лазерах, в задачах формирования заданных распределений интенсивности и в других задачах, где требуется компенсация крупномасштабных аберраций волнового фронта.
3. Разработанные методы обработки интерференционных изображений - «градиентный» и «опорных линий» быстро и с высокой точностью восстанавливают профили фазовой поверхности и могут быть использованы в современных автоматизированных интерферометрах для диагностики активных сред и элементов лазерной оптики.
Защищаемые положения:
1. Применение гибких адаптивных зеркал в задачах управления структурой и расходимостью излучения лазеров средней мощности позволяет эффективно решать задачи коррекции фазовых неоднородностей внутри и вне лазерных резонаторов с целью оптимизации параметров выходного излучения и в ряде случаев получить параметры излучения недостижимые другими методами.
2. Совместное использование 2-х фазовых корректоров позволяет решать задачи, где требуется одновременная оптимизация нескольких параметров лазерной системы. Одновременная коррекция распределения интенсивности и фазы излучения фемтосекундных титан-сапфировых лазеров при помощи двух гибких зеркал позволяет получать значительное увеличение плотности мощности излучения на мишени. Применение методов адаптивной оптики для лазерного комплекса мощностью излучения 8 ТВт и длительностью импульсов 150 фс позволило увеличить фактор Штреля с 0.1 до 0.8, получить плотность мощности излучения 5x1019 Вт/см2.
3. Использование гибкого биморфного зеркала в качестве одного из зеркал резонатора является эффективным средством управления модовой структурой и расходимостью излучения многомодовых лазеров и позволяет оптимизировать распределения интенсивности выходного излучения лазеров средней мощности. Для непрерывного АИГ-лазера мощностью 60 Вт было получено 2,5 кратное уменьшение расходимости излучения при использовании внутрирезонаторного 8-ми элементного биморфного управляемого зеркала.
4. Оригинальная методика, основанная на построении замкнутой вычислительной процедуры расчёта линейного устойчивого резонатора с управляемым гибким зеркалом, позволяет рассчитать форму корректора необходимую для формирования различных заданных распределений интенсивности на выходе из резонатора. Для получения на выходном зеркале лазера с устойчивым резонатором супергауссовых форм распределения интенсивности 4-го и 6-го порядков и повышения модовой селективности по поперечным индексам лазерных резонаторов на основании предложенной методики были рассчитаны формы поверхности гибких зеркал. Эффективность применения рассчитанных корректоров в лазере с устойчивым резонатором была подтверждена экспериментально.
5. Использование управляемого по частоте полупроводникового лазера в стабилизированном неравноплечном интерферометре позволяет проводить исследования оптически прозрачных лазерных активных сред, поверхностей оптических элементов и профиля. гибких зеркал в условиях интенсивных механических помех и акустических шумов. Система стабилизации компенсировала помехи при изменении разности плеч интерферометра с частотой до 1 кГц и амплитудой изменения десятки микрон.
6. Рассчитанные на основе предложенной теории биморфные зеркала позволяют при заданном количестве управляющих электродов минимизировать ошибку коррекции крупномасштабных аберраций волнового фронта.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 374 страниц, включая 175 рисунков и 24 таблицы. Библиография содержит 374 наименований. Основные материалы диссертации опубликованы в более 120 научных работах и одной монографии.
Автор выражает особую признательность своему учителю, профессору Московского Государственного Университета В.И.Шмалъгаузену, соавтору работ по адаптивным корректорам для компенсации крупномасшабных аберраций волнового фронта профессору Московского Государственного Университета В.П.Кандидову, доценту Московского Государственного Университета Л.Н.Капцову, с которым были проведены совместные исследования по адаптивной коррекции излучения АИГ-лазера, директору ИПЛИТ РАН, члену-корреспонденту РАН В.Я.Панченко, совместно с которым были выполнены первые эксперименты по коррекции излучения эксимерных лазеров и благодаря поддержки которого мне была предоставлена возможность проведения исследований в ИПЛИТ РАН, моему первому научному руководителю в Московском Государственном Университете М.А.Воронцову, доценту Московского Государственного Университета С.С.Чеснокову, оказавшему огромную помощь при моделировании как турбулентных фазовых экранов, так и при расчётах модовых структур С02 лазеров, старшему научному сотруднику ИПЛИТ РАН В.В.Самаркину, оказавшему большую помощь при проведении экспериментов с С02 и фемтосекудными лазерами.
